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JS `JIT Spraying` / `Return-Oriented Programming` (ROP) 对 V8 的攻击

各位靓仔靓女，晚上好！我是今晚的分享人，很高兴能和大家聊聊 V8 引擎安全领域里两个听起来很酷炫，但实际上也确实很危险的技术：JS JIT Spraying 和 ROP (Return-Oriented Programming)。

准备好了吗？让我们开始这场 V8 引擎的奇妙（且危险）之旅吧！

开胃小菜：V8 引擎和 JIT 编译

在深入细节之前，我们先来简单回顾一下 V8 引擎。V8 是 Google Chrome 和 Node.js 的核心，负责执行 JavaScript 代码。它之所以能如此高效，很大程度上归功于它的 Just-In-Time (JIT) 编译技术。

简单来说，JIT 编译就像一个超级翻译官。它不会像传统的解释器那样逐行翻译 JavaScript 代码，而是会动态地将 JavaScript 代码编译成机器码，然后直接执行。这样一来，代码的执行速度就能大大提升。

但是，能力越大，责任越大。JIT 编译带来的性能提升，也给攻击者创造了新的机会。

主角登场：JS JIT Spraying

JS JIT Spraying 是一种利用 V8 引擎 JIT 编译机制的攻击技术。它的核心思想是：

  1. 制造大量看似无害的 JavaScript 代码。 这些代码经过 JIT 编译后，会被 V8 引擎转换成特定的机器码序列。
  2. 将这些机器码序列喷射到内存中。 攻击者会精心设计这些代码，使其在内存中占据大片连续的区域。
  3. 诱使程序跳转到这些内存区域执行。 一旦程序执行到这些被喷射的机器码，攻击者就能控制程序的行为。

听起来有点抽象？没关系，我们来举个例子。

假设攻击者想要执行一段恶意代码，这段代码的功能是修改某个关键变量的值。攻击者可以构造如下的 JavaScript 代码：

function spray() {
  let code = `
    function evil() {
      // 恶意代码：修改某个关键变量的值
      var target = 0x12345678; // 假设这是目标变量的地址
      var value = 0xdeadbeef; // 想要设置的新值
      // 下面的代码实际上是将 value 写入 target 地址，需要根据具体的架构和指令集进行调整
      // 这里只是一个示意，实际情况会更复杂
      Memory[target] = value;
    }
    evil();
  `;

  // 将代码转换为 ArrayBuffer
  let encoder = new TextEncoder();
  let data = encoder.encode(code);

  // 创建一个大的 TypedArray 用于喷射
  let spraySize = 1024 * 1024; // 1MB
  let sprayArray = new Uint8Array(spraySize);

  // 将代码重复填充到 TypedArray 中
  for (let i = 0; i < spraySize; i += data.length) {
    sprayArray.set(data, i);
  }

  // 触发 JIT 编译
  for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    let str = String.fromCharCode.apply(null, sprayArray);
    // 这里可能需要使用 eval 或者 Function 构造函数来执行代码，
    // 具体取决于 V8 的优化策略
    // eval(str); // 存在安全风险，不推荐直接使用
    new Function(str)(); // 相对安全一些，但仍然需要谨慎使用
  }
}

spray();

这段代码做了什么？

  • evil() 函数： 这是攻击者的恶意代码，它的目的是修改内存中某个关键变量的值。
  • spray() 函数： 这个函数负责将 evil() 函数的代码喷射到内存中。它首先将代码转换为字节数组，然后创建一个大的 Uint8Array，并将代码重复填充到这个数组中。最后，它通过循环触发 JIT 编译，希望 V8 引擎将这些代码编译成机器码，并将其存储在内存中。

需要注意的是，上面的代码只是一个简化版的示例。在实际攻击中，攻击者需要更加精细地控制代码的结构，才能确保 JIT 编译后的机器码能够达到预期的效果。

幕后推手：Return-Oriented Programming (ROP)

ROP 是一种更加高级的攻击技术，它可以让攻击者在不知道任何内存地址的情况下，也能控制程序的执行流程。它的核心思想是：

  1. 寻找程序中已有的代码片段 (gadgets)。 这些代码片段通常是一些短小的指令序列，以 ret 指令结尾。
  2. 将这些代码片段拼接起来，构成一个 ROP chain。 ROP chain 实际上就是一个地址列表，每个地址对应一个 gadget。
  3. 利用漏洞覆盖程序的返回地址，将其指向 ROP chain 的起始地址。 当程序执行到 ret 指令时，它会从栈中弹出一个地址，并跳转到该地址执行。通过精心构造 ROP chain，攻击者可以控制程序的执行流程，执行任意代码。

ROP 攻击的精妙之处在于，它不需要注入任何新的代码。它只需要利用程序中已有的代码片段，就能实现任意代码执行。

ROP 和 JS JIT Spraying 之间有什么关系呢？

  • JS JIT Spraying 可以用来生成 ROP gadgets。 攻击者可以构造特定的 JavaScript 代码，使其经过 JIT 编译后，生成包含有用 gadgets 的机器码。
  • ROP 可以用来绕过安全防护机制。 许多安全防护机制会阻止程序执行来自数据段的代码。但是，由于 ROP 利用的是程序中已有的代码，因此可以绕过这些防护机制。

我们来看一个简单的 ROP chain 的例子：

假设程序中有如下两个 gadgets：

  • Gadget 1： pop rdi; ret (地址：0x400100) 这个 gadget 的功能是将栈顶的值弹出到 rdi 寄存器中，然后返回。
  • Gadget 2： mov [rdi], rax; ret (地址：0x400200) 这个 gadget 的功能是将 rax 寄存器的值写入到 rdi 寄存器指向的内存地址中，然后返回。

攻击者想要将值 0xdeadbeef 写入到地址 0x12345678 中。它可以构造如下的 ROP chain：

0x400100  ; pop rdi; ret
0x12345678  ; rdi 的值
0x400200  ; mov [rdi], rax; ret
0xdeadbeef  ; rax 的值

攻击者需要将这个 ROP chain 放到栈上，并将程序的返回地址覆盖为 0x400100。当程序执行到 ret 指令时，它会跳转到 0x400100 执行。

  • 首先，pop rdi; ret 将栈顶的值 0x12345678 弹出到 rdi 寄存器中。
  • 然后，程序执行 ret 指令，跳转到下一个地址 0x400200。
  • mov [rdi], rax; ret 将 rax 寄存器的值 0xdeadbeef 写入到 rdi 寄存器指向的内存地址 0x12345678 中。
  • 最后，程序执行 ret 指令，ROP chain 执行完毕。

通过这个 ROP chain，攻击者成功地将 0xdeadbeef 写入到了 0x12345678 地址中，而没有注入任何新的代码。

实战演练：结合 JS JIT Spraying 和 ROP

现在，我们来尝试将 JS JIT Spraying 和 ROP 结合起来，构建一个更强大的攻击。

假设我们想要执行一个系统调用，例如 execve("/bin/sh", NULL, NULL)。这个系统调用的编号是 59。

我们需要找到以下 gadgets：

  • pop rax; ret： 将系统调用号 59 放入 rax 寄存器。
  • pop rdi; ret： 将 "/bin/sh" 的地址放入 rdi 寄存器。
  • pop rsi; ret： 将 NULL 的地址放入 rsi 寄存器。
  • pop rdx; ret： 将 NULL 的地址放入 rdx 寄存器。
  • syscall; ret： 执行系统调用。

我们可以通过 JS JIT Spraying 来生成这些 gadgets。例如，我们可以构造如下的 JavaScript 代码：

function sprayGadgets() {
  let gadgets = [
    "pop rax; ret",
    "pop rdi; ret",
    "pop rsi; ret",
    "pop rdx; ret",
    "syscall; ret"
  ];

  let sprayCode = "";
  for (let i = 0; i < gadgets.length; i++) {
    // 这里需要将 gadgets 转换为对应的机器码
    // 这取决于具体的架构和指令集
    // 这里只是一个示意，实际情况会更复杂
    let machineCode = convertToMachineCode(gadgets[i]);
    sprayCode += machineCode;
  }

  // 将 sprayCode 喷射到内存中
  // ... (类似于前面的 spray() 函数)
}

function convertToMachineCode(gadget) {
  // 这里需要将汇编指令转换为对应的机器码
  // 可以使用工具例如 as 或者 objdump 来完成
  // 这里只是一个示意，实际情况会更复杂
  // 例如: pop rax; ret  -> 0x58 0xc3
  switch (gadget) {
    case "pop rax; ret":
      return "x58xc3";
    case "pop rdi; ret":
      return "x5fxc3";
    case "pop rsi; ret":
      return "x5exc3";
    case "pop rdx; ret":
      return "x5axc3";
    case "syscall; ret":
      return "x0fx05xc3";
    default:
      return "";
  }
}

sprayGadgets();

这段代码首先定义了一个包含所需 gadgets 的数组。然后，它将这些 gadgets 转换为对应的机器码，并将这些机器码拼接起来，形成一个大的代码块。最后，它将这个代码块喷射到内存中。

接下来，我们需要构造 ROP chain：

gadget_pop_rax  ; pop rax; ret
59             ; rax 的值 (系统调用号)
gadget_pop_rdi  ; pop rdi; ret
addr_bin_sh    ; rdi 的值 ("/bin/sh" 的地址)
gadget_pop_rsi  ; pop rsi; ret
0              ; rsi 的值 (NULL)
gadget_pop_rdx  ; pop rdx; ret
0              ; rdx 的值 (NULL)
gadget_syscall  ; syscall; ret

我们需要找到 "/bin/sh" 字符串在内存中的地址，并将这个地址放入 ROP chain 中。

最后，我们需要利用漏洞覆盖程序的返回地址，将其指向 ROP chain 的起始地址。

当程序执行到 ret 指令时，它会跳转到 ROP chain 的起始地址执行。ROP chain 会依次设置 rax, rdi, rsi, rdx 寄存器的值，然后执行 syscall 指令，从而执行 execve("/bin/sh", NULL, NULL) 系统调用。

通过这个攻击，我们成功地利用 JS JIT Spraying 生成了 ROP gadgets，并利用 ROP chain 执行了任意系统调用。

安全防御：如何保护 V8 引擎

既然我们已经了解了 JS JIT Spraying 和 ROP 的攻击原理，那么我们应该如何保护 V8 引擎呢？

  • Address Space Layout Randomization (ASLR)： ASLR 是一种将程序的关键数据段（例如代码段、数据段、堆栈等）随机化加载到内存中的技术。它可以有效地阻止攻击者预测内存地址，从而降低攻击的成功率。
  • Data Execution Prevention (DEP)： DEP 是一种防止程序执行来自数据段的代码的技术。它可以阻止攻击者将恶意代码注入到数据段中，然后执行这些代码。
  • Control-Flow Integrity (CFI)： CFI 是一种确保程序执行流程符合预期的技术。它可以检测并阻止程序跳转到非法的地址，例如 ROP chain 中的 gadgets。
  • Sandboxing： Sandboxing 是一种将程序运行在一个隔离的环境中的技术。它可以限制程序对系统资源的访问，从而降低攻击的影响。
  • 代码审查和漏洞修复： 定期进行代码审查，及时修复漏洞，是防止攻击的最有效手段。
防御措施 描述 效果
ASLR 将程序的关键数据段随机化加载到内存中。 阻止攻击者预测内存地址，降低攻击成功率。
DEP 防止程序执行来自数据段的代码。 阻止攻击者将恶意代码注入到数据段中，然后执行这些代码。
CFI 确保程序执行流程符合预期，检测并阻止程序跳转到非法的地址。 阻止 ROP 攻击，确保程序执行流程的完整性。
Sandboxing 将程序运行在一个隔离的环境中，限制程序对系统资源的访问。 降低攻击的影响，即使程序被攻破，攻击者也无法访问敏感的系统资源。
代码审查和漏洞修复 定期进行代码审查，及时修复漏洞。 消除攻击的根本原因，避免攻击的发生。
强化 JIT 编译器的安全性 进一步限制 JIT 编译器的行为，例如限制其生成的代码的权限，或者使用更严格的类型检查。 降低 JS JIT Spraying 的攻击效果，即使攻击者成功喷射了恶意代码，也难以执行。
监控和检测异常行为 实施运行时监控，检测异常的内存访问模式，例如尝试执行非代码内存区域，或者异常的控制流跳转。 及时发现并阻止攻击，在攻击造成严重损害之前采取行动。

总结

JS JIT Spraying 和 ROP 是两种强大的攻击技术，它们可以利用 V8 引擎的 JIT 编译机制和程序中已有的代码片段，实现任意代码执行。为了保护 V8 引擎的安全，我们需要采取多种防御措施，例如 ASLR, DEP, CFI, Sandboxing, 代码审查和漏洞修复。

当然，安全是一个持续的博弈过程。攻击者会不断地寻找新的攻击方法，而安全研究人员也会不断地开发新的防御技术。只有不断学习和探索，才能更好地保护我们的系统安全。

今天的分享就到这里，谢谢大家！希望大家有所收获，下次再见！

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